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| 本文作者： 楊曉凡 | 2019-12-17 16:59 | 專題：NeurIPS 2019 |
雷鋒網(wǎng) AI 科技評論按：本文來自德國 Fraunhofer 協(xié)會 IAIS 研究所的研究科學(xué)家 Michael Galkin，他的研究課題主要是把知識圖結(jié)合到對話 AI 中。雷鋒網(wǎng) AI 科技評論全文編譯如下。
必須承認(rèn)，圖的機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning on Graphs）已經(jīng)成為各大AI頂會的熱門話題，NeurIPS 當(dāng)然也不會例外。
在NeurIPS 2019上，僅主會場就有 100多個與圖相關(guān)的論文；另外，至少有三個workshop的主題與圖有關(guān)：
Graph Representation Learning (大約有100多篇論文)；
Knowledge Representation & Reasoning Meets Machine Learning (KR2ML)(也有50篇吧)；
Conversational AI
我們希望在接下來的這篇文章里，能夠盡可能完整地討論基于圖的機(jī)器學(xué)習(xí)的研究趨勢，當(dāng)然顯然不會包括所有。目錄如下：
Hyperbolic Graph Embeddings 雙曲圖嵌入
Logics & Knowledge Graph Embeddings 邏輯和知識圖嵌入
Markov Logic Networks Strike Back 馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)卷土重來
Conversational AI & Graphs 對話 AI 和圖
Pre-training and Understanding Graph Neural Nets 圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)訓(xùn)練和理解
Conclusions 結(jié)論
傳統(tǒng)的嵌入算法都是在“平坦”的歐氏空間中學(xué)習(xí)嵌入向量，為了讓向量有更高的表示能力，就會選擇盡量高的維數(shù)（50維到200維），向量之間的距離也是根據(jù)歐氏幾何來計算。相比之下，雙曲算法中用到的是龐加萊（Poincare）球面和雙曲空間。在嵌入向量的使用場景里，可以把龐加萊球面看作一個連續(xù)的樹結(jié)構(gòu)，樹的根節(jié)點在球的中心，枝干和葉子更靠近球面一些（如上面的動圖）。
這樣一來，雙曲嵌入表征層級結(jié)構(gòu)的能力就要比歐氏空間嵌入的能力高得多，同時需要的維數(shù)卻更少。不過，雙曲網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和優(yōu)化依然是相當(dāng)難的。NeurIPS2018中有幾篇論文對雙曲神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建做了深入的理論分析，今年在NeurIPS2019上我們終于看到了雙曲幾何和圖結(jié)構(gòu)結(jié)合的應(yīng)用。
論文 1：Hyperbolic Graph Convolutional Neural Networks
雙曲圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
論文地址：https://papers.nips.cc/paper/8733-hyperbolic-graph-convolutional-neural-networks.pdf
開源地址：https://github.com/HazyResearch/hgcn
論文 2：Hyperbolic Graph Neural Networks
雙曲圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)
論文地址：https://papers.nips.cc/paper/9033-hyperbolic-graph-neural-networks.pdf
論文 1 和論文 2 兩者的思想是相似的，都希望把雙曲空間的好處和圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力結(jié)合起來，只不過具體的模型設(shè)計有所區(qū)別。前一篇論文主要研究了節(jié)點分類和連接預(yù)測任務(wù)，相比于歐氏空間中的方法大大降低了錯誤率，在Gromov雙曲性分?jǐn)?shù)較低（圖和樹結(jié)構(gòu)的相似度）的數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)尤其好。后一篇論文關(guān)注的重點是圖分類任務(wù)。
論文 3：Multi-relational Poincaré Graph Embeddings
多關(guān)系龐加萊圖嵌入
論文地址：https://papers.nips.cc/paper/8696-multi-relational-poincare-graph-embeddings.pdf
論文 3 在它們的多關(guān)系龐加萊模型（MuRP）的知識圖嵌入中用上了雙曲幾何。直覺上，正確的三元組客體應(yīng)該落在主體附近的某個超球面中，相關(guān)的這些決策邊界是由學(xué)習(xí)到的參數(shù)描繪的。作者用來優(yōu)化模型的是黎曼幾何SGD（大量數(shù)學(xué)警告）。在兩個標(biāo)準(zhǔn)的評測數(shù)據(jù)集 WN18RR 和 FB15k-237 上，MuRP 的效果比對比模型更好，因為它“更具備雙曲幾何”而且也更適用于樹結(jié)構(gòu)（如果能像上面的論文一樣計算一下Gromov雙曲性分?jǐn)?shù)就更好了）。更有趣的是，MuRP只需要40維，得到的準(zhǔn)確率就和歐氏空間模型用100維甚至200維向量的結(jié)果差不多！明顯可以看到，雙曲空間的模型可以節(jié)省空間維度和存儲容量，同時還不需要有任何精度的犧牲。
我們還有一個雙曲知識圖嵌入比賽，獲獎方法名為 RotationH，論文見 https://grlearning.github.io/papers/101.pdf ，其實和上面的雙曲圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)論文的作者是同一個人。這個模型使用了雙曲空間的旋轉(zhuǎn)（思路上和RotatE https://arxiv.org/abs/1902.10197 模型相似，不過RotatE是復(fù)數(shù)空間的模型），也使用了可學(xué)習(xí)的曲率。RotationH 在WN18RR上刷新了最好成績，而且在低維的設(shè)定下也有很好的表現(xiàn)，比如，32維的RotationH就能得到和500維RotatE差不多的表現(xiàn)。
如果你碰巧在大學(xué)學(xué)習(xí)了sinh（雙曲正弦）、龐加萊球面、洛倫茲雙曲面之類的高等幾何知識但是從來都不知道在哪能用上的話，你的機(jī)會來了，做雙曲幾何+圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)吧。
如果你平時就有關(guān)注arXiv或者AI會議論文的話，你肯定已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，每年都會有一些越來越復(fù)雜的知識圖嵌入模型，每次都會把最佳表現(xiàn)的記錄刷新那么一點點。那么，知識圖的表達(dá)能力有沒有理論上限呢，或者有沒有人研究過模型本身能對哪些建模、對哪些不能建模呢？看到這篇文章的你可太幸運了，下面這些答案送給你。
論文4：Group Representation Theory for Knowledge Graph Embedding
論文 4 從群論的角度來研究KG嵌入。結(jié)果表明，在復(fù)空間中可以對阿貝爾群進(jìn)行建模，且證明了RotatE（在復(fù)空間中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)）可以表示任何有限阿貝爾群。
有沒有被“群論”、“阿貝爾群”這些數(shù)學(xué)名詞嚇到？不過沒關(guān)系，這篇文章里有對相關(guān)的群論知識做簡要介紹。不過這個工作在如何將這個工作拓展到1-N或N-N的關(guān)系上，還有很大的gap。作者提出一個假設(shè)，即或許我們可以用四元數(shù)域H來代替復(fù)數(shù)空間C……
論文5：Quaternion Knowledge Graph Embeddings
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/8541-quaternion-knowledge-graph-embeddings.pdf
……在這次NeurIPS' 19上，這個問題被 Zhang et al. 解決了。他們提出了QuatE，一個四元數(shù)KG嵌入模型。什么是四元數(shù)？這個需要說清楚。簡單來說，復(fù)數(shù)有一個實部，一個虛部，例如a+ib；而四元數(shù)，有三個虛部，例如 a+ib+jc+kd。相比復(fù)數(shù)會多出兩個自由度，且在計算上更為穩(wěn)定。QuatE將關(guān)系建模為4維空間（hypercomplex space）上的旋轉(zhuǎn)，從而將complEx 和 RotatE統(tǒng)一起來。在RotatE中，你有一個旋轉(zhuǎn)平面；而在QuatE中，你會有兩個。此外，對稱、反對稱和逆的功能都保留了下來。與RotatE相比，QuatE在 FB15k-237上訓(xùn)練所需的自由參數(shù)減少了 80%。
我上面并沒有從群的角度來分析這篇文章，不過若感興趣，你可以嘗試去讀原文：
論文 6：Quantum Embedding of Knowledge for Reasoning
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/8797-quantum-embedding-of-knowledge-for-reasoning.pdf
論文 6 提出了 Embed2Reason（E2R）的模型，這是一種受量子邏輯啟發(fā)的量子KG嵌入方法。該方法可以嵌入類（概念）、關(guān)系和實例。
不要激動，這里面沒有量子計算。量子邏輯理論（QL）最初是由伯克霍夫和馮諾依曼于1936年提出，用于描述亞原子過程。E2R的作者把它借用過來保存KG的邏輯結(jié)構(gòu)。在QL中（因此也是E2R中），所有一元、二元以及復(fù)合謂詞實際上都是某些復(fù)雜向量空間的子空間，因此，實體及其按某種關(guān)系的組合都落在了特定的子空間內(nèi)。本來，分布定律a AND（b OR c）=（a AND b）OR（a AND c）在QL中是不起作用的。但作者用了一個巧妙的技巧繞開了這個問題。
作者在論文中還介紹了如何使用QL對來自描述邏輯（DL）的術(shù)語（例如包含、否定和量詞）進(jìn)行建模！實驗結(jié)果非常有趣：在FB15K上，E2R產(chǎn)生的Hits @ 1高達(dá)96.4％（因此H@10也能達(dá)到）；不過在WN18上效果不佳。事實證明，E2R會將正確的事實排在首位或排在top10以下，這就是為什么在所有實驗中H @ 1等于H @ 10的原因。
補(bǔ)充一點，作者使用LUBM作為演繹推理的基準(zhǔn)，該演繹推理包含了具有類及其層次結(jié)構(gòu)的本體。實際上，這也是我關(guān)注的焦點之一，因為標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集FB15K（-237）和WN18（RR）僅包含實例和關(guān)系，而沒有任何類歸因。顯然，大型知識圖譜具有數(shù)千種類型，處理該信息可以潛在地改善鏈接預(yù)測和推理性能。我還是很高興看到有越來越多的方法（如E2R）提倡將符號信息包含在嵌入中。
論文 7：Logical Expressiveness of Graph Neural Networks
讓我們繼續(xù)來考察圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的邏輯表達(dá)。論文 7 中對哪些GNN架構(gòu)能夠捕獲哪個邏輯級別進(jìn)行了大量的研究。目前為止，這個研究還僅限于一階邏輯的兩變量片段FOC_2，因為FOC_2連接到用于檢查圖同構(gòu)的Weisfeiler-Lehman（WL）測試上。
作者證明，聚合組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（AC-GNN）的表達(dá)方式對應(yīng)于描述邏輯ALCQ，它是FOC_2的子集。作者還進(jìn)一步證明，如果我們添加一個獨處成分，將GNN轉(zhuǎn)換為聚合組合讀出GNN（ACR-GNN），則FOC_2中的每個公式都可以由ACR-GNN分類器捕獲。這個工作怎么說呢？簡直是不能再棒了！
論文 8：Embedding Symbolic Knowledge into Deep Networks
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/8676-embedding-symbolic-knowledge-into-deep-networks.pdf
論文 8 提出了模型LENSR，這是一個具有語義正則化的邏輯嵌入網(wǎng)絡(luò)，它可以通過圖卷積網(wǎng)（GCN）將邏輯規(guī)則嵌入到d-DNNF（決策確定性否定范式）當(dāng)中。在這篇文章中，作者專注于命題邏輯（與上述論文中更具表現(xiàn)力的描述邏輯相反），并且表明將AND和OR的兩個正則化組件添加到損失函數(shù)就足夠了，而不用嵌入此類規(guī)則。這個框架可以應(yīng)用在視覺關(guān)系預(yù)測任務(wù)中，當(dāng)給定一張圖片，你需要去預(yù)測兩個objects之間的正確關(guān)系。在這篇文章中，Top-5的準(zhǔn)確率直接將原有84.3%的SOTA提升到92.77%。 
馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)（Markov Logic Network）的目標(biāo)是把一階邏輯規(guī)則和概率圖模型結(jié)合起來。然而，直接使用馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)不僅有拓展性問題，推理過程的計算復(fù)雜度也過高。近幾年來，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)的做法越來越多，今年我們能看到很多有潛力的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，它們把符號規(guī)則和概率模型結(jié)合到了一起。
論文9：Probabilistic Logic Neural Networks for Reasoning
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/8987-probabilistic-logic-neural-networks-for-reasoning.pdf
論文 9 提出了 pLogicNet，這個模型是用來做知識圖推理的，而且知識圖嵌入和邏輯規(guī)則相結(jié)合。模型通過變差EM算法訓(xùn)練（實際上，這幾年用EM做訓(xùn)練&模型優(yōu)化的論文也有增加的趨勢，這事可以之后單獨開一篇文章細(xì)說）。論文的重點是，用一個馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)定義知識圖中的三元組上的聯(lián)合分布（當(dāng)然了，這種做法要對未觀察到的三元組做一些限制，因為枚舉出所有實體和關(guān)系上的所有三元組是做不到的），并給邏輯規(guī)則設(shè)定一個權(quán)重；你可以再自己選擇一個預(yù)訓(xùn)練知識圖嵌入（可以選TransE或者ComplEx，實際上隨便選一個都行）。在推理步驟中只能怪，模型會根據(jù)規(guī)則和知識圖嵌入找到缺失的三元組，然后在學(xué)習(xí)步驟中，規(guī)則的權(quán)重會根據(jù)已見到的、已推理的三元組進(jìn)行更新。pLogicNet 在標(biāo)準(zhǔn)的連接預(yù)測測試中展現(xiàn)出了強(qiáng)有力的表現(xiàn)。我很好奇如果你在模型里選用了 GNN 之類的很厲害的知識圖嵌入會發(fā)生什么。
論文 10：Neural Markov Logic Networks
鏈接：https://kr2ml.github.io/2019/papers/KR2ML_2019_paper_18.pdf
論文 10 介紹了一個神經(jīng)馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)的超類，它不需要顯式的一階邏輯規(guī)則，但它帶有一個神經(jīng)勢能函數(shù)，可以在向量空間中編碼固有的規(guī)則。作者還用最大最小熵方法來優(yōu)化模型，這招很聰明（但是很少見到有人用）。但缺點就是拓展性不好，作者只在很小的數(shù)據(jù)集上做了實驗，然后他表示后續(xù)研究要解決的一大挑戰(zhàn)就是拓展性問題。
論文11：Can Graph Neural Networks Help Logic Reasoning?
鏈接：https://kr2ml.github.io/2019/papers/KR2ML_2019_paper_22.pdf
最后，論文 11 研究了GNN和馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)在邏輯推理、概率推理方面的表現(xiàn)孰強(qiáng)孰弱。作者們的分析表明，原始的GNN嵌入就有能力編碼知識圖中的隱含信息，但是無法建模謂詞之間的依賴關(guān)系，也就是無法處理馬爾科夫邏輯網(wǎng)絡(luò)的后向參數(shù)化。為了解決這個問題，作者們設(shè)計了ExpressGNN架構(gòu)，其中有額外的幾層可調(diào)節(jié)的嵌入，作用是對知識圖中的實體做層次化的編碼。
好了，硬核的機(jī)器學(xué)習(xí)算法講得差不多了，下面我們看點輕松的，比如NLP應(yīng)用。和NeurIPS正會一起開的workshop里有很多有趣的對話AI+圖的論文。
論文12：Multi-domain Dialogue State Tracking as Dynamic Knowledge Graph Enhanced Question Answering
鏈接：http://alborz-geramifard.com/workshops/neurips19-Conversational-AI/Papers/51.pdf
這篇論文提出了一個通過問答追蹤對話進(jìn)度（Dialogue State Tracking via Question Answering (DSTQA)）的模型，用來在MultiWOZ環(huán)境中實現(xiàn)任務(wù)導(dǎo)向的對話系統(tǒng)，更具體地，就是通過對話幫助用戶完成某個任務(wù)，任務(wù)一共分為5個大類、30個模版和超過4500個值。
它基于的是問答（Question Answering ）這個大的框架，系統(tǒng)問的每個問題都要先有一個預(yù)設(shè)模版和一組預(yù)設(shè)的值，用戶通過回答問題確認(rèn)或者更改模版中的預(yù)設(shè)值。有個相關(guān)的假說提出，同一段對話中的多個模版、多組值之間并不是完全獨立的，比如，你剛剛訂好五星級酒店的房間，然后你緊接著問附近有什么餐館，那很有可能你想找的餐館也是中高檔的。論文中設(shè)計的整個架構(gòu)流程很繁瑣，我們就只講講他們的核心創(chuàng)新點吧：
首先，作者們把對話狀態(tài)建模為一個根據(jù)對話內(nèi)容逐漸擴(kuò)充的動態(tài)知識圖。圖中的節(jié)點由大類、模版和值構(gòu)成，建立節(jié)點之間關(guān)系的過程也利用了上面那個假說，就是因為不同的模版之間有一些值可以是相同的、部分重疊或者是有關(guān)聯(lián)的。
其次，用一個圖注意力網(wǎng)絡(luò)（Graph Attention Net）學(xué)習(xí)為圖中的節(jié)點分配權(quán)重，網(wǎng)絡(luò)的輸出也會被送入一個門機(jī)制，用來決定要在問題文本中表現(xiàn)出圖的多大的一部分。
作者們也使用了角色嵌入，這樣模型可以由系統(tǒng)的話語和用戶的話語共同訓(xùn)練
最后，作者們同時使用了CharCNN和ELMO嵌入來做對話文本內(nèi)容的編碼
DSTQA 在 MultiWOZ 2.0 和 MultiWOZ 2.0 上都刷新了最好成績，在 WOZ 2.0 上也和當(dāng)前的最好方法不相上下。根據(jù)作者們的誤差分析，主要的丟分點來自于真實值的標(biāo)注有一些不準(zhǔn)確的 —— 大規(guī)模眾包數(shù)據(jù)集中就是經(jīng)常會發(fā)生這種情況，沒什么辦法，攤手
論文 13：Neural Assistant: Joint Action Prediction, Response Generation, and Latent Knowledge Reasoning
鏈接：http://alborz-geramifard.com/workshops/neurips19-Conversational-AI/Papers/32.pdf
論文13 介紹了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)助理模型，這個對話系統(tǒng)架構(gòu)不僅能考慮到對話歷史，也能利用到知識庫中的事實信息。系統(tǒng)架構(gòu)可以看作是Transformer架構(gòu)的拓展，它會編碼對話歷史中的文本；知識庫中的內(nèi)容是簡單的單詞三元組比如（餐館A，價格，便宜）（沒有 Wikidata 那種花哨的知識圖模式），這些三元組也會被Transformer編碼。最后，解碼器會同時處理歷史文本編碼和知識圖編碼，用來生成輸出語句，以及決定是否要進(jìn)行下一步動作。
之前的論文中有很多人在所有的知識庫三元組上計算softmax（只要知識庫稍微大一點，這種做法就非常低效），這篇論文就沒這么做，他們根據(jù)知識庫中的實體是否在真實值回答中出現(xiàn)的情況做弱監(jiān)督學(xué)習(xí)。他們的架構(gòu)在 MultiWOZ 設(shè)置下比原本的Transformer架構(gòu)得到更好的表現(xiàn)，預(yù)測動作以及實體出現(xiàn)的F1分?jǐn)?shù)超過90%。不過，他們的進(jìn)一步分析顯示出，知識庫中的條目超過一萬條之后準(zhǔn)確率就會開始快速下降。所以，嗯，如果你有心思把整個Wikidata的70億條三元組都搬過來的話，目前還是不行的。
論文 14：A Comprehensive Exploration on WikiSQL with Table-Aware Word Contextualization
鏈接：https://kr2ml.github.io/2019/papers/KR2ML_2019_paper_8.pdf
當(dāng)你設(shè)計面向任務(wù)的系統(tǒng)的時候，往往有很多內(nèi)容是無法長期留在內(nèi)存里的，你需要把它們存在外部存儲中，然后需要的時候去檢索。如果是圖數(shù)據(jù)，你可以用SPARQL或者Cypher建立圖數(shù)據(jù)庫來操作；或者用經(jīng)典的SQL數(shù)據(jù)庫也行。對于后一種情況，最近出現(xiàn)了很多新任務(wù)（https://medium.com/@mgalkin/knowledge-graphs-nlp-emnlp-2019-part-i-e4e69fd7957c），其中WikiSQL 是第一批引起了學(xué)術(shù)研究人員興趣的。
如今，只經(jīng)過了不到兩年的時間，我們就已經(jīng)可以說這個數(shù)據(jù)集已經(jīng)基本被解決了，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法也獲得了超過人類的表現(xiàn)。這篇論文中提出了語義解析模型 SQLova ，它通過BERT編碼問題和表頭、用基于注意力的編碼器生成SQL查詢（比如 SELECT 命令、WHERE 條件、聚合函數(shù)等等） 、然后還能對生成的查詢語句進(jìn)行排序和評價。
作者們在論文中指出，不使用語義解析、只使用BERT的暴力編碼的話，效果要差得多，所以語言模型還是不能亂用。模型的測試準(zhǔn)確率達(dá)到了90%（順便說一句，還有一個叫 X-SQL 的模型拿到了接近92%的準(zhǔn)確率，https://arxiv.org/pdf/1908.08113.pdf ），而人類的準(zhǔn)確率只有88%；根據(jù)錯誤分析來看，系統(tǒng)表現(xiàn)的最大瓶頸基本就是數(shù)據(jù)標(biāo)注錯誤了（和上面那個MulitWOZ的例子類似）。
除此之外我還有幾篇NLP相關(guān)的論文想推薦給大家：
Relational Graph Representation Learning for Open-Domain Question Answering
用于開放領(lǐng)域問答的關(guān)系圖表征學(xué)習(xí)
這篇論文提出了一個帶有注意力的關(guān)系GNN，能夠解決基于普通文本的以及把WebQuestionsSP外掛數(shù)據(jù)集作為知識圖的問答任務(wù)。
Populating Web Scale Knowledge Graphs using Distantly Supervised Relation Extraction and Validation
通過遠(yuǎn)距離有監(jiān)督關(guān)系提取和驗證，制作大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)知識圖
這篇論文解決了如何同時提取文本中的關(guān)系并立即通過預(yù)訓(xùn)練的知識圖嵌入對候選的知識圖做實事檢查。這個方法可以拓展到包含百萬級三元組的知識圖上（比如 Common Crawl — DBpedia 語料庫有超過六百萬個三元組）
Incorporating rules into end-to-end dialog systems
在端到端對話系統(tǒng)中集成規(guī)則
http://alborz-geramifard.com/workshops/neurips19-Conversational-AI/Papers/43.pdf
作者們研究了如何把規(guī)則集成到端到端的對話系統(tǒng)以及上下文中，目的是讓生成的文本更多樣化，比如，如果用戶已經(jīng)要求查詢某個數(shù)據(jù)了，系統(tǒng)就不會重新和用戶打招呼、重新讓用戶選任務(wù)模版。其中表現(xiàn)最好的一種配置會把對話上下文和規(guī)則編碼到一起。他們的方法通用性很好，可以和各種生成回答的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)共同使用。
在這一節(jié)，我會介紹一些從更通用的角度研究GNN的論文，包括一些研究GNN模型的可解釋性的論文。
論文 15：Pre-training Graph Neural Networks
這篇論文挺火的，這是提出并解釋預(yù)訓(xùn)練圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)框架的首批論文之一。我們都很熟悉預(yù)訓(xùn)練語言模型了，就是先在海量文本上預(yù)訓(xùn)練一個語言模型，然后在某個具體任務(wù)上做精細(xì)調(diào)節(jié)。從思路上來說，預(yù)訓(xùn)練圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和預(yù)訓(xùn)練語言模型很像，問題重點在于這種做法在圖上能不能行得通。簡單的答案就是：可以！不過使用它的時候還是要小心謹(jǐn)慎。
對于用預(yù)訓(xùn)練模型在節(jié)點級別（比如節(jié)點分類）和圖級別（比如圖分類）捕捉結(jié)構(gòu)和領(lǐng)域知識，作者們都在論文中提出了有價值的見解，那就是，對于在節(jié)點級別學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)屬性來說，內(nèi)容預(yù)測任務(wù)的重點是在負(fù)采樣的幫助下根據(jù)嵌入預(yù)測一個節(jié)點周邊的節(jié)點（仿佛很像word2vec的訓(xùn)練對不對），其中通過掩蔽的方式，隨機(jī)遮住一些節(jié)點/邊的屬性，然后讓網(wǎng)絡(luò)預(yù)測它們。
作者們也說明了為什么聚合-合并-讀出的GNN結(jié)構(gòu)（Aggregate-Combine-Readout GNN）的網(wǎng)絡(luò)更適合這類任務(wù)，是因為它們支持用一個置換不變的池化函數(shù)獲取一個圖的全部表征。實驗表明，只使用圖級別的有監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練時，向下游任務(wù)遷移會造成表現(xiàn)下降，所以需要同時結(jié)合節(jié)點級別和圖級別的表征。把特征這樣組合之后能在40種不同的預(yù)測任務(wù)中帶來6%到11%的ROC-AUC提升。
所以，這代表圖上的遷移學(xué)習(xí)時代已經(jīng)正式來到我們面前了嗎？會有更多優(yōu)秀的研究人員為預(yù)訓(xùn)練GNN模型編寫優(yōu)秀的庫，讓大家都可以更方便地使用預(yù)訓(xùn)練GNN嗎？
論文 16：Graph Transformer Networks
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/9367-graph-transformer-networks.pdf
這篇論文為異質(zhì)圖設(shè)計了圖Transformer（Graph Transformer）架構(gòu)。異質(zhì)圖是指，圖中含有多種類型的節(jié)點和邊。圖Transformer網(wǎng)絡(luò)（GTN）中通過1x1卷積來獲取元路徑（邊組成的鏈）的表征。接著，他們思路的關(guān)鍵在于，在此基礎(chǔ)上再生成一系列任意長度的新的元路徑（元-元路徑？），長度可以由Transformer層的數(shù)量指定，這些元路徑理論上可以為下游任務(wù)編碼更多有有價值的信號。作者們的實驗中，GTN憑借和圖注意力網(wǎng)絡(luò)（Graph Attention Nets）相近的參數(shù)數(shù)量刷新了節(jié)點任務(wù)分類的最好成績。
論文 17：GNNExplainer: Generating Explanations for Graph Neural Networks
鏈接：https://papers.nips.cc/paper/9123-gnnexplainer-generating-explanations-for-graph-neural-networks.pdf
這里要介紹的最后一篇論文瞄準(zhǔn)的是“圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可解釋性”這個重要任務(wù)，論文中提出了用來解釋圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出的GNN Explainer，這是一個模型無關(guān)的框架，它能為任意任務(wù)上的、任意一個基于圖的模型的預(yù)測結(jié)果做出解釋。比如說，你在用圖注意力網(wǎng)絡(luò)做節(jié)點分類/圖分類任務(wù)，然后你想看看你的問題的可解釋的結(jié)果，那你直接用GNN Explainer就好了。
他們的設(shè)計思路是，GNN Explainer會讓模型預(yù)測和結(jié)合圖、節(jié)點特征形成的子圖結(jié)構(gòu)之間的共同信息最大化（當(dāng)然了，生成子圖的過程需要一些優(yōu)化技巧，畢竟檢測所有可能的子圖是辦不到的）。這個框架給出的解釋的形式是，它會返回一個帶有最重要的通路和特征的子圖，這就很容易被人類解讀了。論文里有一些很清晰的示例圖（如下方）。很棒的論文，鼓掌！
結(jié)論
在圖上做機(jī)器學(xué)習(xí)是完全可行的！而且不管是CV、NLP、強(qiáng)化學(xué)習(xí)都能做。按照NeurIPS這樣的規(guī)模，我們可以期待看到更多有趣的評審意見和給人啟發(fā)的見解。順便，我覺得有不少NeurIPS的workshop論文都可以在明年的ICLR2020再次看到。
via https://medium.com/@mgalkin/machine-learning-on-graphs-neurips-2019-875eecd41069，雷鋒網(wǎng) AI 科技評論編譯
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